Использующей энергию потока воды. Много веков назад, ветряные мельницы, как правило, использовались для измельчения зерна, в качестве привода для водяного насоса либо для выполнения обеих задач. Большинство современных ветряных мельниц имеют форму ветровых турбин и используются для выработки электроэнергии; ветряные насосы используются для перекачки воды, осушения земель или выкачивания подземных вод.

Ветряные мельницы в древности

Ветряная мельница греческого инженера Герона Александрийского, изобретенная в первом веке нашей эры, является наиболее ранним примером использования энергии ветра для приведения в движения механизма.Другим примером древней ветрового привода является молитвенное колесо, используемое в Тибете и Китае в начале 4 века. Также есть сведения, что в Вавилонской империи Хаммурапи планировал использование энергии ветра для своего амбициозного проекта по орошению.

Горизонтальные ветряные мельницы

Первые запущенные в работу ветряные мельницы имели паруса (лопасти), вращающиеся в горизонтальной плоскости, вокруг вертикальной оси. По словам Ахмада аль-Хасана ветряные мельницы были изобретены в восточной Персии, персидским географом Эстакхири в девятом веке. Подлинность сведений о более раннем изобретении ветряной мельницы вторым халифом Умаром (в течение 634 - 644 годов н.э.) ставится под сомнение на основании того, что сведения о ветряных мельницах появляются лишь в документах датируемых десятым веком.

Мельницы того времени имели от шести до двенадцати лопастей покрытых тростником или тканевым материалом. Эти приспособления использовались для измельчения зерна или добывания воды, и довольно сильно отличались от более поздних европейских вертикальных ветряных мельниц. Первоначально ветряные мельницы получили широкое распространение на Ближнем Востоке и в Центральной Азии, а затем постепенно стали популярными в Китае и Индии.

Подобный тип горизонтальной ветряной мельницы с прямоугольными лопастями, используемой для орошения, также можно найти в тринадцатом веке в Китае (во время правления династии Цзинь на севере), открытой и привезённой в Туркестан путешественником Елюем Чуцаем в 1219 году.

Горизонтальные ветряные мельницы в небольшом количестве присутствовали на территории Европы в 18-м и 19-м веках. Наиболее известными, из сохранившихся до наших дней, являются Мельница Хупера в графстве Кент и мельница Фаулера в Баттерси в окрестностях Лондона. Вероятнее всего, мельницы существовавшие на территории Европы в те времена были независимым изобретением европейских инженеров времен промышленной революции; конструкция европейских мельниц не была заимствована у восточных стран.

Вертикальные ветряные мельницы

Относительно происхождения вертикальных ветряных мельниц дебаты историков продолжаются до сих пор. Из-за отсутствия достоверных сведений невозможно ответить на вопрос являются ли вертикальные мельницы оригинальным изобретением европейских мастеров или конструкция заимствована у ближневосточных стран.

Существование первой известной мельницы в Европе (предполагается, что она была вертикального типа) датируется 1185 годом; она была расположена в бывшем селе Видли в Йоркшире в устье реки Хамбер. Помимо этого, существует ряд менее надежных исторических источников, согласно которым первые ветряные мельницы в Европе появились в 12-м веке. Первым назначением ветряных мельниц было измельчение зерновых культур.

Козловая мельница

Существуют данные, согласно которым самый ранний тип европейских ветряных мельниц носил название post mill, названный так из-за большой вертикальной детали, составляющей основную конструкцию мельничного стана.

При монтаже корпуса мельницы таким образом она получала возможность вращаться по направлению ветра; это позволяло работать более продуктивно в северо-западной Европе, где направление ветра изменяется с короткими интервалами. Основания первых козловых мельниц вкапывали в землю, что обеспечивало дополнительную опору при повороте. Позже была разработана деревянная опора получившая название эстакада (либо козлы). Она была обычно закрытой, что давало дополнительное место для хранения урожая и обеспечивало защиту во время неблагоприятных погодных условий.

Этот тип ветрянных мельниц был наиболее распространенным в Европе до девятнадцатого века, до тех пор пока мощные башенные мельницы не заменили их.

Полая (пустая) козловая мельница

Мельницы этой конструкции имели полость, внутри которой размещался приводной вал. Это давало возможность поворачивать конструкцию по направлению ветра прилагая меньше усилий, чем в традиционных козловых мельницах, а также не было необходимости поднимать мешки с зерном к высоко расположенным жерновам, так как применение длинного приводного вала позволило размещать жернова на уровне земли. Такие мельницы использовались в Нидерландах начиная с 14 века.

Башенная мельница

К концу 13 века был введен в эксплуатацию новый тип мельничной конструкции, башенная мельница. Ее основным преимуществом являлось то, что в движение приводилась только лишь верхняя часть конструкции, в то время, как основная часть мельницы оставалась неподвижной.
Широкое распространение башенных мельниц пришло с началом периода укрепления экономики, из-за необходимости наличия надежных источников энергии. Фермеров и мельников не смущала даже более высокая стоимость возведения по сравнению с другими типами мельниц.
В отличие от козловой мельницы, в башенной мельнице только крыша башенного стана реагировала на наличие ветра, это позволяло сделать основную конструкцию значительно выше, что, в свою очередь, позволяло изготовлять лопасти большего размера, благодаря чему вращение мельницы было возможно даже в условиях слабой ветрености.

Верхняя часть мельницы могла поворачиваться по направлению движения ветра благодаря наличию лебедок. Помимо этого, существовала возможность удержания крыши мельницы и лопастей по направлению к ветру благодаря наличию небольшого ветряка, устанавливаемого под прямым углом по отношению к лопастям в задней части ветряка. Данный тип конструкции получил распространение на территории бывшей Британской империи, Дании и Германии. На территории расположенной на небольшом расстоянии от Средиземного моря, башенные мельницы возводились с фиксированными крышами, так как изменение направления ветра большую часть времени было весьма незначительным.

Шатровая мельница

Шатровая мельница является усовершенствованным вариантом башенной мельницы, где каменная башня заменена деревянным каркасом обычно восьмиугольной формы (существуют мельницы с большим или меньшим количеством углов). Каркас покрывался соломой, шифером, листовым металлом либо толем. Более легкая конструкция, по сравнению с башенными мельницами, делала ветряную мельницу более практичной, позволяя возводить конструкцию в районах с нестабильной почвой. Первоначально этот тип мельниц использовали в качестве дренажной мельницы, но позже сфера использования значительно расширилась.

При возведении мельницы в застроенных районах она обычно помещалась на основание из каменной кладки, что позволяло поднять конструкцию над окружающими зданиями для лучшего доступа ветра.

Механическое устройство мельниц

Лопасти (паруса)

Традиционно парус состоит из каркаса-решётки на которой расположена парусина. Мельник может самостоятельно регулировать количество ткани в зависимости от силы ветра и необходимой мощности. В средние века лопасти представляли собой решетку на которой располагалась парусина, в то время, как в условиях более холодного климата ткань была заменена деревянными планками, что препятствовало замораживанию. Независимо от устройства лопастей, для регулировки парусов необходимо было полностью остановить мельницу.

Переломным моментом стало изобретение в Великобритании в конце восемнадцатого века конструкции, которая автоматически приспосабливалась к скорости ветра без вмешательства мельника. Наиболее популярными и функциональными стали паруса, изобретенные Уильямом Кабиттом в 1807 году. В этих лопастях, ткань заменили механизмом соединенных затворов.

Во Франции Пьер-Теофиль Бертон изобрел систему, состоящую из продольных деревянных реек, соединенных с помощью механизма, который позволял мельнику открыть их во время вращения мельницы.

В двадцатом веке, благодаря успехам в самолетостроении значительно повысился уровень знаний в области аэродинамики, что привело к дальнейшему повышению эффективности работы мельниц немецким инженером Билау и голландскими мастерами.

Большинство ветряных мельниц имеют четыре паруса. Наряду с ними существуют мельницы оснащенные пятью, шестью или восемью парусами. Наибольшее распространение они получили в Великобритании (особенно в графствах Линкольншир и Йоркшир), Германии, и реже в других странах. Первые заводы по производству парусины для мельниц находились в Испании, Португалии, Греции, Румынии, Болгарии и России.

Мельница с четным числом парусов имеет преимущество перед другими типами мельниц, ведь при возникновении повреждения одной из лопастей, возможно удалить противоположную ей лопасть, тем самым сохранив балансировку всей конструкции.

В Нидерландах во время того, как лопасти мельницы находятся в неподвижном состоянии, их используют для передачи сигналов. Небольшой наклон парусов по направлению к главному зданию символизирует радостное событие; в то время, как наклон в противоположную от главного здания сторону символизирует скорбь. Ветряные мельницы по всей Голландии, были помещены в позиции траура в память о голландских жертвах авиакатастрофы малазийского Боинга в 2014 году.

Мельничный механизм

Шестерни внутри мельницы передают энергию от вращательного движения парусов к механическим устройствам. Паруса закреплены на горизонтальных валах. Валы могут быть полностью сделаны из дерева, дерева с металлическими элементами или целиком из металла. Тормозное колесо устанавливают на валу между передним и задним подшипниками.

Мельницы использовались для осуществления многих промышленных процессов, например для обработки семян масличных культур, выделки шерсти, покраски изделий и изготовления изделий из камня.

Распространение мельниц

Общее количество ветряных мельниц в Европе, по оценкам экспертов, достигало количества около 200 000 во времена наибольшего распространения этого типа устройств, эта цифра является довольно скромной по сравнению с приблизительно 500 000 , существовавших в то же время. Ветряные мельницы получили распространение в тех регионах, где было слишком мало воды, где реки замерзали зимой и в равнинных регионах, где поток рек были слишком медленными, чтобы обеспечить требуемую мощность для работы водяных мельниц.

С приходом промышленной революции важность ветра и воды в качестве основных промышленных источников энергии снизилась; в конечном итоге большое количество ветряных мельниц и водяных колес было заменено на паровые мельницы и мельницы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания. Вместе с тем, ветряные мельницы по прежнему оставались достаточно популярны, их продолжали строить до конца 19-го века.

В наши дни ветряные мельницы часто являются охраняемыми конструкциями, так как была признана их историческая ценность. В некоторых случаях старинные мельницы существуют в качестве статичных экспонатов (когда древние машины слишком хрупки, чтобы привести их в движение), в других случаях, как полностью рабочие экспонаты.

Из 10 000 ветряных мельниц, используемых в Нидерландах в 1850х годах, около 1000 мельниц до сих пор находятся в рабочем состоянии. Большинство ветряков в настоящее время обслуживается добровольцами, хотя некоторые мельники до сих пор работают на коммерческой основе. Многие из дренажных мельниц существуют в качестве резервного механизма для современных насосных станций. Регион Заан в Голландии был первым промышленным регионом мира в котором к концу 18 века функционировало около 600 ветряных мельниц. Экономические колебания и промышленная революция имела гораздо большее влияние на ветряные мельницы, чем на другие источники энергии, это привело к тому, что лишь немногие из них удалось сохранить до наших дней.

Строительство мельниц было распространено на территории Капской колонии в Южной Африке в 17 веке. Но первые башенные мельницы не пережили штормы на мысе полуострова, поэтому в 1717 году было решено построить более прочную мельницу. Мастера, специально присланные Голландской Ост-Индской компанией завершили строительство к 1718 году. В начале 1860х годов, Кейптаун мог похвастаться 11 мельницами.

Ветряные турбины

Ветряная турбина по сути является ветряной мельницей, структура которой специально разработана для выработки электроэнергии. Ее можно рассматривать как следующий шаг в развитии ветряной мельницы. Первые ветряные турбины были построены в конце девятнадцатого века профессором Джеймсом Блитом в Шотландии (1887 г.), Чарльзом Ф. Брашем в Кливленде, штат Огайо (1887-1888)и Полем ля Куром в Дании (1890-е). Мельница Поля ля Кура начиная с 1896 года выполняла функции электрогенератора в селе Аскове. К 1908 году насчитывалось 72 ветряных электрогенератора в Дании, с мощностью в пределах от 5 до 25 кВт. К 1930-м годам ветряные мельницы получили широкое распространение на фермах в Соединенных Штатах, где их использовали для выработки электроэнергии, в связи с тем, что еще не были установлены системы передачи и распределения энергии.

Современная ветроэнергетическая промышленность началась в 1979 году с запуска серийного производства ветровых турбин датскими производителями Kuriant, Vestas, Nordtank и Bonus. Первые турбины были небольшими по сегодняшним меркам, с мощностью 20-30 кВт каждая. С тех пор турбины коммерческого производства были значительно увеличены в размерах; Турбина Enercon E-126 способна обеспечить поступление до 7 МВт энергии.

С началом 21-го века, наблюдается рост озабоченности населения по поводу энергетической безопасности, глобального потепления и истощения ископаемого топлива. Все это в конечном итоге привело к увеличению интереса к всевозможным видам возобновляемых источников энергии и усилило интерес к ветровым турбинам.

Ветряные насосы

Ветряные насосы использовались для перекачки воды на территории современных Афганистана, Ирана и Пакистана начиная с 9-го века. Использование ветряных насосов получило широкое распространение во всем мусульманском мире, а затем распространилось на территорию современного Китая и Индии. Ветряные насосы использовались в Европе, особенно в Нидерландах и областях Восточной Англии Великобритании, начиная от Средневековья и далее, при осушении земли для сельскохозяйственных работ или для строительных целей.

Американский ветряной насос или ветряной двигатель, был изобретен Даниэлем Халадеем в 1854 году и использовался в основном для подъема воды из колодцев. Более крупные версии ветряного насоса также использовались для таких задач, как распиловка древесины, измельчение сена, шелушение и размол зерна. В Калифорнии и некоторых других штатах, ветряной насос был частью автономной системы по добыче хозяйственно-бытовой воды, которая также включала ручной колодец и деревянную водонапорную башню. В конце 19-го века стальные лопасти и башни заменили устаревшие деревянные конструкции. На пике своего развития в 1930 году, по оценкам экспертов около 600 000 ветряных насосов находились в использовании. Производством ветряных насосов занимались такие американские компании, как Pump Company, Feed Mill Company, Challenge Wind Mill, Appleton Manufacturing Company, Eclipse, Star, Aermotor и Fairbanks-Morse, со временем именно они стали основными поставщиками насосов в Северной и Южной Америке.

Ветряные насосы широко используются на фермах и ранчо в Соединенных Штатах, Канаде, Южной Африке и Австралии в наши дни. Они имеют большое количество лопастей, что позволяет им вращаться с большей скоростью при слабом ветре и замедлять движение до необходимого уровня при сильном ветре. Такие мельницы поднимают воду для нужд комбикормовых заводов, лесопильных заводов и сельскохозяйственных машин.

В Австралии компания Griffiths Brothers занимается изготовлением ветряных мельниц под названием «Southern Cross Windmills» начиная с 1903 года. В наши дни они стали незаменимой частью австралийского сельского сектора благодаря использованию воды Большого артезианского бассейна.

Ветряные мельницы в разных странах

Ветряные мельницы Голландии

В 1738 - 40 годах в голландском городке Киндердейк были построены 19 каменных ветряных мельниц для защиты низин от затопления. Ветряные мельницы перекачивали воду с территории, расположенной ниже уровня моря в реку Лек, которая впадает в Северное море. Кроме перекачивания воды, ветряные мельницы использовались для выработки электричества. Благодаря этим мельницам Киндердейк в 1886 году стал первым электрифицированным городом в Нидерландах.

Сегодня воду с отметки ниже уровня моря в Киндердейке перекачивают современные насосные станции, а ветряные мельницы в 1997 году были внесены в Список объектов мирового наследия Юнеско.

Уже прочитали: 4 003

Что такое ветряная мельница?

Постройки, имеющиеся на приусадебном или дачном участке, обычно создаются в строгом функциональном стиле. Каких-либо специфических декоративных элементов они, как правило, не имеют и выглядят соответственно своему назначению. При этом, желание как-то украсить, оживить территорию участка свойственно большинству владельцев. Вариантов решения этого вопроса имеется очень много. Чаще всего используются технологии ландшафтного дизайна, с помощью которых может быть украшен абсолютно любой клочок земли.

Один из вариантов создания необычного облика является возведение ветряной мельницы . Решение несколько неожиданное, но неизменно эффектное, требующее подробного рассмотрения.

Устройство и принцип работы

Ветряная мельница - это устройство, преобразующее в работу мукомольного механизма. Таково традиционное назначение мельниц, выполнявших практически единственную работу - размол зерна, изготовление муки. Лопасти (крылья) мельницы принимали на свои плоскости поток ветра и начинали вращение. Оно передавалось на жернова, моловшие зерно и производившие муку. Устройство ветряной мельницы - это прообраз , насосов и прочих механизмов сегодняшнего дня, использующих потоки .

В настоящее время встретить действующую ветряную мельницу можно редко, в основном, их содержат в этнографических заповедниках как экспонаты. При этом, они вполне исправны и могут выполнять свою работу вполне эффективно.

Декоративный элемент или практичное сооружение?

Использовать ветряную мельницу в качестве полноценного сооружения, выполняющего помол муки, невозможно. Во-первых, размеры такого сооружения не подойдут для относительно небольших участков. Кроме того, необходимости в размоле зерна в настоящее время не имеется. Поэтому ветряные мельницы, возводимые на садовых участках, выполняют декоративную роль . При этом, вращающийся ротор, если он способен выполнять свои функции, вполне может быть использован для различных хозяйственных нужд:

• производство электроэнергии;
• приведение в действие водяного насоса;
• корпус ветряка можно приспособить для хранения различного инвентаря.

Выбор способа применения ветряка - прерогатива владельца участка, но наиболее распространенным назначением таких сооружений является украшение участка, привнесение фольклорных мотивов в стиль оформления. Этот момент нельзя считать второстепенным или неважным, так как внешний вид так же нуждается в грамотном и творческом подходе, как и практическое применение.

Для чего может понадобиться?

В данном случае ключевым моментом становится самостоятельное изготовление сооружения. Помимо определенных практических целей, которые преследуются при создании ветряка, важен творческий подход, возможность приложить усилия для самостоятельного оформления участка.

Применить такое сооружение можно по-разному, например, с помощью ветряной мельницы можно декорировать скважину для воды. Часто подобными сооружениями прикрывают выход на поверхность канализационных коллекторов. Не исключается использование ветряка по прямому назначению - с целью приведения в движение механизмов или генерации электрического тока, например, для освещения участка.

Важно! Украшение территории - сам по себе немаловажный фактор, но, если имеется возможность практического применения ветряной мельницы для хозяйственных нужд, ее ценность возрастает во много раз.

Еще одним возможным применением такого элемента можно назвать место для детских игр. Ребятишки с удовольствием играют в различных домиках, а если он стилизован под мельницу, становится еще интереснее.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Где находится самый большой ветрогенератор в мире

Выбор территории для установки

На выбор места влияет, в первую очередь, замысел владельца, назначение сооружения. Если планируется чисто декоративное использование, то мельницу размещают исходя из соображений живописности, внешнего эффекта, то есть на открытой площадке, обеспечивающей хороший обзор сооружения. Если же устройство будет функциональным, то на выбор повлияет уровень площадки, отсутствие поблизости крупных построек, способных закрыть лопасти от потоков ветра.

Кроме того, необходимо учитывать расположение инженерных коммуникаций, построек или сооружений, которым могут помешать вращающиеся крылья мельницы. Если они находятся напротив окна, постоянное мелькание в глазах создаст существенное неудобство для людей, находящихся в комнате.

Следует также учитывать, что к сооружению понадобится иметь нормальный подход, особенно, если планируется сделать его элементом детской игровой площадки. Учитывая все эти соображения, производится выбор оптимального места для строительства мельницы.

Пошаговая инструкция

Создание мельницы происходит по обычной схеме, используемой при строительстве любых сооружений:

• создание проекта (рабочего чертежа)
• приобретение материалов, подбор инструмента
• подготовка площадки
• сборка корпуса и ротора
• установка механических элементов (если они запланированы)
• запуск, отладка режимов работы

Некоторые шаги в этом перечне могут оказаться лишними, иногда, напротив, могут понадобиться дополнительные действия. Окончательный план действий может быть составлен только при рассмотрении конкретной конструкции, условий ее работы, размеров и прочих параметров.

Важно! Ни в коем случае не следует пренебрегать созданием проекта. Зачастую именно на этом этапе обнаруживаются значительные ошибки или дополнительные факторы, в корне меняющие подход к выполняемой работе. Изготовление наобум может привести к пустой трате времени и материалов.

Необходимые материалы и инструменты

Для создания декоративной ветряной мельницы лучше всего использовать традиционные материалы:

• брус,
• доски,
• обточенные бревна,
• гвозди,
• саморезы.

Кроме того, в зависимости от размеров и назначения мельницы могут понадобиться материалы для создания фундамента:

• цемент,
• песок,
• арматурный пруток.

Не менее важно иметь необходимые инструменты:

• электропила,
• электрорубанок,
• ручная ножовка,
• стамеска, долото,
• пассатижи,
• молоток,
• электродрель с набором сверл,
• линейка, рулетка.

В зависимости от проекта сооружения, могут быть привлечены и другие инструменты или приспособления, если в них возникнет необходимость.

Фундамент

Первые шаги, которые понадобится выполнить на начальном этапе, это - подготовка площадки под строительство. Если сооружение запланировано достаточно крупное, например, под мельницу надо задекорировать хранилище для инструментов, инвентаря, инженерных устройств, то потребуется устройство фундамента.

Самым простым способом заливки фундамента будет создание ленточного типа основания. Для этого по периметру будущих стен выкапывается ров, внутрь которого устанавливается опалубка, вяжется арматурный каркас и заливается бетон. Фундамент выдерживается нужное время для достаточной кристаллизации бетона, после чего можно вести дальнейшие работы.

Примечание: для небольших декоративных сооружений фундамент не требуется, достаточно немного приподнять их над уровнем земли, чтобы исключить контакт с грунтовыми водами.

После завершения фундамента приступают к созданию корпуса ветряной мельницы.

Прародители ветровых мельниц появились почти четыре тысячи лет назад в Египте. Изначально ветряная мельница имела постоянное направление лопастей и ременной привод к оси каменного жернова. Позже в конструкции появились шестерни и подшипники, поворотные механизмы. Такое устройство без радикальных изменений успешно использовалось до начала прошлого века и сейчас тоже имеет применение.

Причины успеха энергии ветра

Характеристики ветровой энергии уникальны. Заслуживают отдельного упоминания свойства, ставшие причиной длительного успеха ветряных мельниц. Сравнение характеристик источников энергии позволяет понять столь продолжительное и географически широчайшее применение энергии ветра:

Но есть у ветра и недостатки. Например, вошедшее в поговорку непостоянство. Направление ветра меняется так часто, что пришлось даже создавать мельницы с вращающимся корпусом. А изменение силы ветра от ураганной до штиля не позволяет рассчитывать на стабильность поступления энергии. Другие природные источники энергии тоже нестабильны и со своими недостатками. Солнце не дает энергии по ночам, а днем может уйти за тучи. Реки есть не везде, а там, где есть, могут пересохнуть или замерзнуть на месяцы.

Еще одним минусом является малая плотность ветра - 1,29 кг/м3. К примеру, плотность воды составляет почти тонну. Для получения одинаковой по величине энергии площадь лопастей у ветряной мельницы должна быть в 750 раз больше, чем у водяной. А для таких конструкций должен быть и соответствующий корпус.

Но, тем не менее, почти четыре тысячи лет ветер был востребован, как источник энергии, на Европейском, Азиатском и Африканском континентах. И сейчас о нем не забывают.

Как ветер крутит лопасти

Так как воздух имеет массу, то движение воздуха имеет кинетическую энергию. Когда на пути ветра, дующего в определенном направлении, появляется предмет, их взаимодействие можно описать с помощью векторов силы. Ветер будет отталкивать препятствие и отталкиваться сам в противоположенном направлении. При этом лопасть, закрепленная на оси конструкции, будет изгибаться вдоль оси вращения и крутиться на ней. Графически это выглядит следующим образом:

Ветер после соприкосновения отражается от лопасти, оставляя ей часть энергии:

1. на изгиб лопасти по направлению ветра, чему конструкция противостоит с силой Fл2-1, создающей потенциальную энергию. На величину этой силы уменьшится вектор силы ветра Fв2-1;
2. создавая кинетическую энергию вращения, на лопасть действует сила Fл2-2. При этом уменьшается вектор силы ветра Fв2-2, меняя его направление.

Величина кинетической энергии, передаваемой ветром через лопасти, зависит от массы взаимодействующего с лопастью воздуха, скорости его движения, направления относительно лопастей - чем перпендикулярней, тем лучше.

В самой мельнице, кроме конструкции лопастей, можно минимизировать потери на трение, применяя на оси подшипники, а передаточном механизме - шестерни, либо устанавливая генератор непосредственно на ось лопастей.

Зная, как работает мельница, можно попробовать изготовить ее самостоятельно. Хотя бы в декоративных целях.

Как рассчитать крылья мельницы

Сначала нужно решить, для чего и где строить мельницу. Обычно ветровая машина ставится на открытой местности , например - на даче. Если вокруг забора близко и плотно растут деревья, придется делать высокий корпус для ветряка. В этом случае обязательно потребуется фундамент.

Фундамент нужен и невысоким, но тяжелым корпусам. Для дачных дел достаточно по периметру будущего строения уложить на глубину до 0,7 метра бетон или плотные ряды кирпичей. Для декоративных сооружений достаточно подмостить и утрамбовать один слой кирпича, изолирующего сооружение от влаги.

Теперь надо решить, для чего следует строить мельницу . Вариантов много:

• для подъема воды из скважины;
• для получения электроэнергии;
• для отпугивания кротов;
• для хранения садовых инструментов;
• в декоративном назначении.

Порядок вариантов представлен по снижению требований к мощности устройства, т.е. по упрощению механизма. Определение требований к дизайну остается правом и обязанностью владельца.

Сразу запомним, что реальная мощность бытового ветряка не превышает 500 Вт при скорости ветра 5-8 м/с. Однако электроэнергию можно накапливать, включая при необходимости мощные потребители на короткий срок. Например, насос для подъема воды.

Главное в ветряке, это лопасти. В первую очередь для определения конструкции лопастей нужно знать о том, что чем больше мощность - тем большую площадь проекции на плоскость вращения должны иметь лопасти. Это достигается увеличением количества, длины, площади и угла разворота лопастей.

Для расчета средней мощности конструкции потребуется знание силы обычных для местности строительства ветров. Кроме того, лопасти мельницы должны быть перпендикулярны преобладающим направлениям ветра. Эти сведения следует узнать в сети Интернет по запросам "статистика скорости ветра" и "роза ветров" для своего региона.

Осталось подсчитать размер лопастей. Например, средний ветер 5 м/с, а потребляемая мощность электроприбора 100 Вт. Потери на преобразование кинетической энергии вращения оси мельницы в электрическую составят порядка 20% - 40%.

Коэффициент полезного действия можно посчитать, учитывая точные паспортные значения КПД генератора на оси, выпрямителя, стабилизатора, преобразователя постоянного тока в переменный напряжением 220 В. При расчете проценты потерь не суммируются, надо последовательно перемножить КПД каждого прибора, чтобы получить КПД системы преобразования вращения в электричество. Еще половина мощности ветра теряется на лопастях.

Снизить потери преобразования можно исключив, например, преобразователь постоянного тока в переменный, если исполнительное устройство может работать от аккумулятора. Отсутствие какого-либо другого устройства также возможно, если напряжение и ток не имеют большого значения для работы устройства - например, небольшая лампочка накаливания, еще практичнее - светодиодная.

Мощность ветрогенератора прямо пропорциональна плотности воздуха , умноженного на скорость ветра в третьей степени (для 5 м/с - 125). Если разделить результат на удвоенную площадь проекции лопастей на плоскость вращения,получается мощность, которую может выработать генератор на оси вращения лопастей.

Для примера можно посчитать площадь проекции для 4 лопастей шириной 0,5 м, образовывающих при вращении круг диаметром 2 м, закрепленные под углом 60 градусов к плоскости вращения. Площадь по формуле d/2*sin(30)*0.5*4 равна 2/2*0,25*4=1 квадратному метру.

Такая конструкция, при наиболее распространенном в России среднем значении скорости ветра 5 м/с, получает от ветра энергию в количестве 1,29*125/2*1 = 80 Вт. Снять половину на преобразование во вращательное движение, убрать 25% на преобразование в электроэнергию и останется около 30 Вт для потребителей. Максимальная ветровая мощность при таком ветре на лопастях, полностью перекрывающих в проекции площадь круга, может вырасти в 3,14 раза. В итоге потребителю достанется максимум около 100 Вт. Не так уж и плохо.

Если в декоративных целях использовать светодиоды, размеры мельницы изменятся до смешных, был бы низкий ветер вдоль земли.

Без преобразования в электрическую используют энергию ветра для отпугивания мелких насекомых, живущих под землей. Достаточно опустить на 15 сантиметров в углубление деревянную ось, вращающуюся от ветряка, как вибрация почвы отпугнет их на несколько метров, не мешая хозяевам.

Разновидности лопастей ветряков

Конструкции лопастей бывают не только с вертикальным вращением, но и с горизонтальным. Лопасти могут иметь винтовую конструкцию , изменяемую парусность. Строились мельницы на века и так, чтобы в каждом строении была уникальность. Современные конструкции тоже поражают разнообразием.

Статистика и перспективы

В России конца 19 века работали около 200 000 мукомольных мельниц. Обычный ветряк вырабатывал мощность 3,5 кВт, большой с диаметром лопастей 24 метра - до 15 кВт. Суммарная вырабатываемая ими мощность в то время доходила до 750 мВт. Сейчас используются ветряные электрогенераторы и считанные единицы мельниц другого назначения. А энергии все они вырабатывают в 50 раз меньше, чем 100 лет назад, целых 15 мВт. Планы развития. конечно. создаются, ведь потенциал ветра над нашей страной составляет десятки миллиардов киловатт.

Пока планы не реализовались, можно перефразировать известное выражение Владимира Маяковского и сказать: "Если мельницы строят - значит - это кому-то нужно? Значит - кто-то хочет, чтобы они были?" Завораживающая красота работающих мельниц стала мощным вдохновляющим фактором для умельцев, создающих шедевры во дворах и на дачных участках.

Мельница, пожалуй, древнейший из известных механизмов. Мукомольные мельницы точно применялись в Нововавилонском царстве (это конец II – начало I тысячелетия до н.э.), а немного позже оригинальные ветряные мельницы были изобретены в Китае (см. далее). Мельница способна оживить и украсить самый унылый пейзаж, а ее декоративная модель придаст особую прелесть и совсем маленькому приусадебному участку, см. рис. ниже. Делается декоративная мельница своими руками без серьезных затруднений, но ее эстетический эффект часто оказывается много меньше ожидаемого. И дело тут не в качестве работы мастера – это как раз тот случай, когда эстетика почти полностью определяется видом технической реализации. О чем и написана эта статья.

В чем загвоздка?

Декоративная мельница дает эстетический эффект по след. причинам (в порядке возрастания его величины и убывания очевидности):

• Память тысячелетий. Это не метафора. За свою историю мельница обросла толстой культурной оболочкой, вызывающей у мало-мальски подготовленного зрителя многочисленные ассоциации. Один Дон Кихот чего стоит. Заставил бы его Сервантес воевать с курятником – и мы увидели бы в нем неизъяснимую романтику.
• Мельница технически может быть реализована только в монументальном архитектурном сооружении, причем для технически совершенной мельницы оно должно быть изысканной формы, диктуемой аэродинамикой.
• Главный секрет эстетики мельницы кроется в динамике, во вращении ротора. Вода краса природы потому, что по естеству своему подвижна. Мельница оживит и украсит самые, простите, похабные задворки потому что машет крыльями.

Примечание: китайская вертикальная ветряная мельница (см. рис. справа) не требует для противодействия напору ветра капитальной опоры. К подобной конструкции приходили и другие народы древности, но у них не было такого незаменимого в те времена материала как бамбук. В Японии бамбука предостаточно, но в избытке и мелких быстрых водных потоков, пригодных для устройства более простой, долговечной и постоянно действующей водяной мельницы нижнего боя (см. далее и, возможно, «Семь самураев» Куросавы). Поэтому безбашенные вертикальные ветряные мельницы применялись только в Древнем Китае и отчасти в Индокитае.

Техника производственная и декоративная

Для производственной мельницы определяющее значение имеет ее коэффициент использования ветра (КИВ), аналог КПД. Параметра чувствительности к ветру (ЧВ) или потоку (ЧП) в спецификациях «настоящих больших» мельниц не ищите – он там просто не нужен. ЧП/ЧВ это минимальная скорость потока, набегающего на ротор (колесо) мельницы, при котором он начинает вращаться без нагрузки, свободно, сам по себе. Но ведь промышленная мельница должна приводить в движение производственное оборудование. К примеру, ротор ветряной мельницы диаметром 12 м на ветру 8 м/с развивает мощность на валу ок. 10 кВт. Если скорость ветра упадет вдвое, до 4 м/с, мощность на валу упадет вдесятеро, до прим. 1 кВт, и зависит это от свойств потока воздуха. Чуть ветер ослаб еще – и колесо просто не провернет жернов, не толкнет пилу или поршень насоса. И к чему тогда ЧП/ЧВ? Нужно добиваться наибольшего КИВ.

Декоративная мельница для сада, дачи, приусадебного участка – пример противоположности. У ее ротора нет механической нагрузки, кроме трения в узле вращения (см. далее), и КИВ для мельницы – забавы и украшения – параметр третьестепенный. Зато, если легкий ветерок приятно холодит лицо, листва под ним трепещет и скатерть стола под навесом колышется, а мельница стоит, ее эстетический эффект умаляется или даже обращается в отрицательный. Поэтому для декоративной мельницы главный параметр – ЧВ/ЧП; ее колесо должно хорошо крутиться при ветре 2-2,5 м/с или скорости потока воды от 0,25-0,3 м/с. Вариант мельницы с микромотором, вращающим колесо, определенно неэстетичен: ветряная мельница должна крутиться сообразно скорости и направлению ветра, а у водяной должна быть видна естественная причина вращения колеса.

Примечание: если водяная декоративная мельница верхнего боя (см. далее), ее колесо должно вращаться, когда вода буквально сочится по каплям из желоба.

При постройке декоративной мельницы дело упрощается тем, что отбора мощности в вала ротора нет, а минимизировать трение в его узле вращения современным техническими средствами несложно и недорого. Но для ветряной мельницы много усложняется тем, что с пропорциональным (линейным) уменьшением размеров ротора ометаемая им площадь падает по квадрату. А еще более осложняется тем, что у самой земли (подстилающей поверхности) поток воздуха сильно скошен и турбулизирован, в результате чего величина несомой единицей его объема энергии падает в десятки раз; тут может выручить только использование начал аэродинамики. Для водяной мельницы эти закономерности выражены слабее, но все же имеют место, так что и гидродинамикой нельзя пренебрегать.

Какую делать?

Декоративная ветряная мельница по эстетике и в статике превосходит водяную (см. рис.), а в динамике превосходит ее многократно просто потому, что зримого движения в ней больше. Построить декоративную модель ветряной мельницы в общем проще, чем водяной, но действовать она будет только при ветре; мельница-вентилятор с моторчиком по эстетике не вариант, см. выше.

Декоративные мельницы — водяная и ветряная

Водяная мельница – украшение участка – будет энергонезависимой только если его зона отдыха на уклоне (что уже неудобно) и там есть естественный источник или поток воды (ключ, родник, ручей, слева на рис.), что вообще маловероятно. В противном случае вам придется самому сделать уклон, соорудить искусственный водоем с ручейком (каскадом, фонтаном) и расходовать электричество на перекачку воды; об украшении водяной мельницей альпийской горки с ручейком см. ролик:

Видео: пример декоративной водяной мельницы

Зато, во-первых, эстетический эффект декоративной водяной мельницы почти не зависит от погоды, лишь бы температура была плюсовая, а в жару мельница будет освежать воздух; правда, при этом возрастет расход воды на испарение. В целом же эстетика водного потока с мельницей может существенно превосходить таковую ветряной мельницы, но и трудов/расходов это будет стоить много больших.

Ветряная

По указанным причинам для украшения зон отдыха личных хозяйств используют чаще всего ветряные мельницы, готовые покупные (недешево, кстати) или самодельные, см. след. рис. Но в том и другом случае оказывается, что эстетический эффект мельницы на своей земле много меньше ожидаемого или видимого в рекламном проспекте. Причина указана выше – низкая ЧВ/ЧП мельницы. Чтобы ее повысить, придется вначале обратиться к вещам сугубо прозаическим.

Примечание: примеры украшения сада ветряными мельницами см. в сюжете ниже:

Видео: 30 примеров декора сада ветряными мельницами

Аэродинамика

Из сказанного выше ясно также, что главная причина, мешающая повысить ЧВ декоративной ветряной мельницы, кроется в свойствах приземного потока воздуха. Изменить их не в состоянии, но использовать в полной мере можем.

Способ до некоторой степени компенсировать скос набегающего потока строители «настоящих больших» ветряных мельниц изобрели давно – это обратный ему скос оси вращения ротора, поз. 1 и 2 на рис.:

В больших мельницах его берут в пределах 2-12 градусов в зависимости от условий местности. Для малой декоративной мельницы, тем более что стоять она будет не на гладком голом камне, лучше придерживаться пределов 8-12 градусов. Меньшее значение – для мельницы высотой 1,5-1,7 м; большее – для ее высоты 40-50 см; промежуточные вычисляются линейной интерполяцией (пропорциональным делением). Углу скоса 12 градусов соответствует наклон оси ротора прим. на 1/4 ее длины; 8 градусам – прим. на 1/7. Точно несложно просчитать по тангенсу. Т.е., если, напр., длина оси ротора 50 см, а необходимый угол его скоса 10 градусов, то берем: tg10 grad = 0,176. 1/0,176 = 5,6. 50/5,6 = 8,9, т.е. передний (встречный потоку) конец оси ротора нужно приподнять на 9 см и соотв. образом сделать узел его вращения, см. далее.

Набегающий поток воздуха скошен не только по направлению, но и по скорости (см. опять поз. 1 на рис.); собственно, вторым и обусловлено первое. Устранить скоростной скос потока мы не можем, но его усугубляет отражение ветра от строения (корпуса, башни) мельницы. Поэтому башни ветряных мельниц издавна делают гранеными (см. рис. справа) или круглыми, т.е. обтекаемыми в горизонтальной плоскости; пренебрегать этим условием для малых декоративных мельниц не следует, т.к. отражение потока ЧВ снижает еще больше, чем КИВ.

Затем, колесо ветряной мельницы ни в коем случае не пропеллер самолета или ротор быстроходного ветроагрегата. Ветряная мельница – тихоходный ветряк, т.е. линейная скорость концов лопастей ее ротора сопоставима или меньше скорости набегающего потока. Поэтому их аэродинамика проста и тяга лопасти определяется почти нацело разностью давлений на ее лобовой (передней, наветренной) и задней (теневой) сторонах (плоскостях), поз. 3 на пред. рис.

Примечание: кто знаком с аэродинамикой не понаслышке – в расчетах ротора ветряной мельницы за характерный физический размер в числе Рейнольдса Re берется поперечник (ширина) лопасти.

Отсюда следует благоприятное для строителей ветряных мельниц обстоятельство: тщательно сглаживать и профилировать лопасти тихоходного ветряка нет нужды. Во-первых, гладкая обшивка лопастей необходима только на их лобовой плоскости (поз. 4), а теневая может быть какой угодно, это упрощает конструкцию (набор) лопастей и изготовление ротора. Во-вторых, лопасти желательно изогнуть навстречу потоку, но мельницу это лишит значительной части эстетики – настоящие-то мельницы с корытообразными лопастями не строились. С поперечно изогнутыми лопастями можно, не заботясь об эстетике, соорудить из бутылок ветряк-трещотку от крота на участке, см. видео:

Видео: изготовление лопастей из пластиковой бутылки

Примечание: мах на поз. 4 это не физик Эрнст Мах и не число его имени, а лонжерон (главный несущий стержень) лопасти. Иглицы – нервюры, ну, а кромки, передняя и задняя, они так и есть кромки.

Полуобтекание

Лопасти старинных ветряных мельниц делались с постоянным по размаху зауголиванием на 14-15 градусов (равнозначный, но неоднозначный термин – заклинение), но «почти нацело» выше также можно использовать для повышения ЧВ мельницы (и КИВ производственной), т.к. зачаточная круговая циркуляция есть и у самого тихоходного ветряка. А именно: придать лопасти некоторую винтовую крутку по размаху, т.е. различные углы установки у корня и на конце, и несколько заузить крыло лопасти у корня, чего требует то самое вредное Re.

Однако результатом бездумного пропорционального уменьшения лопастей ротора совершенной шатровой мельницы (см. далее), вроде тех, что на рис. справа, оказывается мельница, очень плохо чувствующая ветер. Аэродинамика тонкая штука. К примеру, первые опытные экземпляры легендарного МИГ-25 разбились, погибли опытные летчики-испытатели – о катапультировании на скорости 2,5М тогда никто и помыслить не смел. Если бы эта машина не опережала тогдашнюю авиацию на эпоху, ее бы не пустили в серию. Но – довели все-таки, полетела как надо. А пришлось всего-то сдвинуть на 140 мм ось вращения стабилизатора.

Но вернемся в тему. Развертка крыла полуобтекаемой лопасти ветряной мини-мельницы, работающей в сильно скошенном и турбулизированном приземном потоке, и установочные углы для нее даны на рис.:

Указанные линейные размеры минимальные; их можно пропорционально увеличить втрое, а недостающие брать с чертежа, он в масштабе. Т. е., с таким ротором можно делать мельницы от мини-настольной (см. далее) до большой, почти в рост человека. В шатер можно и встроить мини-генератор со стабилизатором напряжения для подзарядки мобильника – избыток мощности на валу будет 20-30 Вт. Старины мельницы от этого не убудет, т.к. электроника внутри и не видна. Махи лопастей – из круглого стержня (лучше деревянного) диаметром 12-40 мм; иглицы крепятся и фиксируются на углы установки растяжками из жесткой проволоки. Обшивка – любая; «для старины» лучше реечная либо из драни или шпона.

Примечание: мельничные ветроколеса с полуобтекаемыми лопастями имеют достоинство и для производства, и для эстетики – с повышением скорости ветра возрастает роль круговой циркуляции воздуха в плоскости вращения ротора и скорость его вращения стабилизируется, т.е. ротор не станет крутиться как бешеный, что некрасиво, а для большой мельницы и опасно.

Мини-мельницы с закрылками

Декоративная ветряная мини-мельница уместна на даче по совсем неэстетичной причине – чтобы ее, простите, не стырили в отсутствие хозяев. Лопасти роторов мини-мельниц делают чаще всего цельнодеревянными, см. рис., разве что мастер – опытный авиамоделист.

Но сделать круглую или граненую башню мельницы «под старину» сложновато будет и ему, а хорошая ЧВ необходима и здесь. Выход из положения нашли также еще мастера старого времени по большим мельницам из мест, бедных стабильными ветрами достаточной силы: сделать в лопастях ближе к их задней (сбегающей) кромке продольные прорези, поз. 2 на рис. Уже когда самолеты хорошо полетели, оказалось, что эти щели работают как закрылки. Если вы не поленитесь и придадите цельным лопастям мини-мельницы хотя бы примитивную профилировку (поз. 3; плоская сторона теневая), то мельничка высотой 30 см и с колесом диаметром 20-25 см на хорошем узле вращения (см. далее) закрутится и при ветре в 2-2,5 м/с, а более слабый уже и не чувствуется.

Примечание: минимальные размеры настольной декоративной мини-мельницы даны на рис.:

Чего не надо

В технике есть общий принцип, нашедший отражение и в законах Мэрфи: прежде чем что-то улучшать, подумай, как бы там чего не напортить. Итак, по итогам вводно-теоретической части посмотрим, как не надо делать декоративную ветряную мельницу. Имея при этом в виду и эстетическую сторону дела.

Изделие на поз. 1 рис. – сборище всех недочетов: грубая поделка, а те три рогульки, что торчат из нее, назвать лопастями никак невозможно. Автор(ы) мельницы на поз. 2, вероятно, взяли за прототип мельницу с парусным ротором (см. далее), не зная о ее непригодности в данном качестве для малой декоративной. Кроме того, в парусном роторе должно быть не менее 8-ми лопастей, иначе он будет вовсе неэффективным.

Прототип мельницы на поз. 3, скорее всего, музейная на поз. 4. Но набор ее лопастей обнажен, дабы уберечь экспонат от поломки сильным ветром. Обшивка лопастей совершенных шатровых мельниц была съемной; набор лопастей покрывался ею частично или полностью сообразно силе ветра и потребности в мощности на валу, см. рис. справа.

Имея в виду необходимость для декоративной мельницы максимальной ЧВ, лопасти не мешало бы зашить полностью тканью, чтобы набор просвечивал. Это только придало бы мельнице респекта и зрелищности, т.к. лопасти лучших мельниц прошлого обтягивались парусиной, сквозь которую набор тоже проглядывал.

В мельнице на поз. 5 обшивка на лопасти наложена не с той стороны: она будет с наветра только если ротор окажется в ветровой тени башни. Что, разумеется, ни в коем случае не улучшит чувствительности ротора к ветру. И, наконец, изделие на поз. 6 с ротором то ли из крыльчатки комнатного вентилятора, то ли из гребного винта от электромотора надувной лодки, мельницей просто не выглядит – вместо эстетики в данном случае получился абсурд.

Выбираем прототип

Теперь определимся, какого типа настоящую мельницу нужно взять за прототип. Учитывая также эстетическое значение и условия работы декоративной.

Монументальное строение, в котором размещаются механизмы и служебные помещения, однозначно необходимо только для мельницы с горизонтальным ротором (горизонтальной осью его вращения) – раз. Плоскость вращения горизонтального ротора ортогональна его оси, т.е. вертикальна, а наибольший эстетический эффект и количество неосознанных ассоциаций дает плавное движение вверх-вниз, напр. взмахи крыльев птицы – два. Поэтому «вертикалки» наподобие показанной выше китайской бамбуковой с крыльями из циновок, отметаем.

Неповоротные башенные мельницы (поз. 1 на рис.) распространены в местах с абсолютно доминирующими ветрами одного направления, напр. на равнинах центральной Испании. Посмотрите внимательно: теперь понимаете, почему Дон Кихот набросился на мельницу, а не на курятник, что было бы гораздо смешнее? Такую мельницу можно взять за прототип для дачной и/или настольной.

Строение козловой мельницы (поз. 2) вращается на козле (или на чем-то козлином, по местной неформальной терминологии) – врытом в землю толстом бревне. Козловая мельница может быть построена без единого гвоздя, но ее поворот на ветер требует огромных усилий, а при ветре сильнее свежего – непомерных. Поэтому козловые мельницы были распространены в тихих лесистых местах, удаленных от источников железных изделий. Как прототип для декоративной козловая мельница мало пригодна – прижата к земле, и добиться от нее хорошей ЧВ очень трудно.

В Сибири леса и сильные ветра держатся вместе, распространена вечная мерзлота, а мужики живут крепкие, поэтому там прижились колчанные мельницы, поз. 3. Ее вертикальная ось вращения (тоже бревно, но уже не козел, а шкворень) не врыто в землю, а закреплено в срубе-колчане. Одновременно колчан позволил приподнять ротор и увеличить его размах, отчего возросли и КИВ, и ЧВ; для поворота мельницы на свежий ветер уже хватало силы мельника, привезшего зерно на помол крестьянина и, возможно, их взрослых сыновей. Колчанная мельница хорошо подойдет как прототип декоративной на участке, оформленном в стиле рустикальном или кантри.

Самые совершенные горизонтальные ветряные мельницы – шатровые, поз. 4. Шкворень в них железный и вращается только шатер на поворотным круге; кроме того, усложняется механизм передачи усилия с ротора на жернов. Повернуть шатер с ротором на ветер способны 1-2 средне развитых человека или вовсе простейшая автоматика. Шатровая мельница годится в прототипы для любой декоративной, поэтому рассмотрим ее строение подробнее (поз. 4а):

О парусных роторах

В Европу ветряные мельницы пришли поздно – их впервые увидели крестоносцы у арабов. Новинка сразу пришлась по вкусу рыцарям, которым, между прочим, хозяйствовать приходилось не меньше, чем воевать. Тогдашняя Европа была отсталым краем света, разделенным на множество мелких и мельчайших полунезависимых феодальных владений, и счастливые обладатели текучих вод, пригодных для устройства водяных мельниц, драли с соседей за помол почище, чем те с купцов на большой дороге.

Арабские ветряные мельницы строились с парусным ротором (см. рис.): своего строевого лесу у арабов считай что не было (пальмовая древесина непрочная и нестойкая), зато ровных сильных ветров в степях и пустынях было вдосталь. Но в Европе парусные мельницы не прижились, кроме как в сходной по условиям с Аравией Испании и в Греции, изобилующей созданными горами «ветровыми коридорами».

Парусная мельница работает только при ветре достаточной силы (более 6-7 м/с): пока лопасти-паруса не надуются до нужного профиля, ротор не завертится. Т.е., у и КИВ, и ЧВ парусной мельницы низки, и в прототип декоративной она непригодна несмотря на романтическую зрелищность. Тем не менее, парусный ротор-вертушка, действующий по иному принципу, может найти полезное и эффектное применение в механизме шатровой мельницы, см. далее.

Узлы и механизмы

Наверное, нет нужды повторять, что ЧВ декоративной мельницы определяется техническим совершенством ее узлов вращения, а в передаче мощности с ротора нет никакой необходимости. Зато весьма и весьма желательна автоматическая ориентация на ветер: если к мельнице надо подходить, чтобы повернуть всю ее или шатер, то эстетика оборачивается раздражением и утомлением. Определенное значение имеет также общая конструктивная схема ротора.

Узлы вращения

В декоративной мельнице от одного до 4-х узлов вращения, см. далее. Обязательный для любой и самый строгий к качеству исполнения – узел вращения ротора: он должен иметь минимальные механические потери и держать довольно сильные нерегулярные знакопеременные боковые нагрузки, поэтому выполняется этот узел на самоустанавливающихся шарикоподшипниках, см. рис. справа. Обычные однорядные опорные подшипники если и не будут заедать, то существенно снизят ЧВ мельницы. Но не надейтесь только на подшипники: если ротор аэродинамически и/или конструктивно «неправильный», он не завертится, т.к. его лопасти не дадут тяги.

Для узла вращения ротора нужны 2 подшипника, расположенных на оси вращения на расстоянии не менее 50 мм друг от друга (в настольной мини-мельнице – не ближе 15-20 мм друг к другу). Фиксируются подшипники любым удобным способом: в деревянных обоймах (слева на рис.), хомутами и т.п.

Самая ось – отрезок резьбового прутка М4 – М16 в зависимости от размеров мельницы. В подшипниках ось фиксируется парами гаек с шайбами, а после затягивания гаек – каплями масляной, глифталевой или пентафталевой краски, подпущенными в резьбу. К работе узел будет готов спустя 2-3 суток. Вязкий силикон не просочится глубоко в резьбу, а быстросохнущие краски и клеи не эластичны высохшие, от вибрации и рывков ротора связующее из них скоро потрескается и узел разболтается. Контргайки не повредят, но без дополнительной фиксации эластичным связующим тоже скоро ослабнут. О любительском опыте изготовления ротора на подшипниках для декоративной ветряной мельницы см. видео:

Видео: изготовление лопастей для мельница на подшипнике

Если ротор мельницы разворачивается на ветер флюгаркой (что не естественно, настоящие мельницы так не строились), то узел вращения шатра выполняется аналогично, на подшипниках. Если же ротор разворачивается на ветер вручную или виндрозой (см. далее), то узел вращения шатра можно сделать проще, как показано в центре на рис. Собирается такой узел в деревянном (фанерном) коробе, справа на рис. Стальные накладки – толщиной от 2 мм (не менее 2-х шагов резьбы оси вращения). Горизонтальный люфт оси 0,5-1 мм; вертикальный (гайки затягиваются не натуго!) ок. 0,5 мм. Гайки фиксируются также краской, а после ее высыхания под шайбы подпускают по 2-3 капли веретенки или др. невысыхающего жидкого машинного масла.

Виндроза

Энергонезависимое механическое устройство автоматики, разворачивающее ротор мельницы на ветер, изобрели голландцы. Новинка оказалась настолько удобной, экономичной и надежной, что мельницы с виндрозой действуют в развитых странах до сих пор (см. напр. рис. выше с мельницей в Норфолке).

Виндроза – разновидность активного флюгера: небольшая ветрочувствительная дополнительная крыльчатка устанавливается перпендикулярно (ортогонально) ротору в горизонтальной плоскости. Когда ротор стоит точно по ветру, крыльчатка виндрозы неподвижна. Чуть ветер уходит в сторону, крыльчатка вращается и через механическую передачу поворачивает шатер с ротором снова на ветер.

Ротор декоративной мельницы механически не нагружен, и усилие для его поворота требуется на порядки меньшее, чем для ротора производственной мельницы. Поэтому некоторые готовые декоративные ветряные мельницы дополняются флюгаркой, имитирующей виндрозу (врезка слева вверху на рис.). Шатер с ротором становится простым (пассивным) флюгером, что для мельницы ненатурально.

Виндроза производственной мельницы достаточно сложный механизм (слева на рис.), вряд ли повторимый в домашних условиях. Но по указанной выше причине (ненагруженный ротор) виндрозу декоративной ветряной мельницы можно сделать гораздо проще из подручных материалов (центр и справа на рис.).

Конструкция вертушки в точности скопирована с первых голландских виндроз с тряпичными лопастями. Внешне она похожа на парусный ротор, но благодаря некоторому начальному углу установки полотнищ и иной конфигурации щелей между ними действует не как кливера и стакселя парусников, а скорее как решетчатое крыло, применяемое в системах спасения космических аппаратов при аварии на старте; это выяснилось уже в наше время. Аэродинамическое качество решетчатого крыла низкое, т.е. оно дает небольшую подъемную силу, но при самых малых скоростях и в широком диапазоне углов атаки. Так и матерчатая вертушка виндрозы дает ничтожную мощность на валу, но при легчайшем дуновении сильнейшим образом скошенного ветра.

Размах махов вертушки 3-15 см в зависимости от размеров мельницы; полотнища из скользкой синтетической ткани или пленки (по эстетике – хуже) натягиваются туго. Ведущий шкив можно стянуть с вала мотора старого кассетного магнитофона. Оттуда же берутся маховик с тонваломи и подшипником скольжения для ведомого шкива и горизонтальной оси; скорее всего подойдет штатный резиновый пасик. Магнитофон лучше курочить советский – их маховики больше и массивнее, отчего заявленный в ТД коэффициент детонации соответствовал реальному. Ось вертушки и ведущего шкива из велосипедной спицы; к ней нужно подобрать или сделать бронзографитовый или фторопластовый подшипник скольжения.

Количество зубьев трибы (диаметр цевки ок. 10 мм) – 6-8. Шаг зубьев на поворотном кругу должен быть точно таким же, а их количество не менее 60-ти. Исходя из этого рассчитывают радиус венца для размещения зубьев на кругу; возможно, придется подкорректировать его диаметр. Зубья в лунках цевки и круга фиксируются силиконовым клеем; любой другой от вибрации и толчков скоро потрескается и зубья начнут выпадать.

Примечание: если виндроза поворачивает ротор тылом к ветру, петлю пасика на ведущем шкиве нужно перевернуть на 180 градусов.

Ротор

Об аэродинамике ротора выше сказано достаточно, осталось уточнить некоторые конструктивные особенности. Лопасти ротора выполнялись обычно с передним/задним или средним расположением маха, см. рис. (висячие и полнонаборные лопасти).

Первые давали больший КИВ и лучшую ЧВ, т.к. исключались аэродинамические потери на соотв. кромке, но чаще ломались на сильном ветру, а крутка лопасти по размаху более чем на 5-7 градусов еще более уменьшала их прочность. Ветровое давление на единицу площади лобовой проекции декоративной мельницы многократно меньше, чем большой, поэтому для нее предпочтительны висячие лопасти. Исключение – ротор с полуобтекаемыми лопастями (см. выше), т.к. при угле крутки более 10-12 градусов он будет работать надлежащим образом только если закручены и передняя, и задняя кромки, а незакрученный мах (лонжерон) расположен по ширине лопасти согласно аэродинамическому расчету.

Сколько надо лопастей?

В местах, ветрами небогатых, строились мельницы с 6-ти и даже 8-ми лопастными роторами – это повышало мощность на их валу при слабом ветре, хотя КИВ при сильном падал. Но если подойти с точки зрения максимальной ЧВ, то оптимальным оказывается… однолопастный ротор с противовесом; это объясняется трением лопастей о воздух. Однако тихоходные ветряки с числом лопастей меньше 4-х почти никогда не строятся: мощность на валу оказывается слишком мала, т.к. без развитой круговой циркуляции энергия ветра, «проскакивающего» между медленно движущимися лопастями, пропадает даром. Соответственно и декоративная мельница менее чем с 4-мя лопастями выглядеть будет ненатурально, так что 4 лопасти для нее следует принять за оптимум.

Строение мельницы

Построить имитацию мельничной избы и тулова квадратными в горизонтальном сечении (см. рис. справа) несложно, но хорошей ЧВ такой мельницы ожидать не приходится. Значение обтекаемости строения мельницы было понято еще в старину, и строения производственных мельниц выполнялись многогранными или круглыми.

Чертежи основных узлов (ротора в сборе, башни и вертушка) простой декоративной ветряной мельницы даны на рис. ниже. Предельная в данном случае (но не максимально возможная) ЧВ достигается увеличенным зауголиванием простых лопастей на 16,7 градуса. Обратите внимание, в какую сторону свешены крылья лопастей: поскольку продажные резьбовые прутки с правой резьбой, то и ротор должен вращаться вправо (по часовой стрелке, если смотреть спереди); иначе он отвинтится и слетит, т.к. крепится запрессованной в перекрестье махов гайкой. В целом такая мельница удобна для дачи выходного дня: для хранения разбирается, а собранную ее легко переносит один взрослый любого пола или двое детишек.

Реализовать своими руками граненую башню декоративной ветряной мельницы из фанеры на клею возможно (см. след. рис.), и похвалы вашему мастерству будут вполне заслуженными. Но, во-первых, материал требуется дорогой (поинтересуйтесь в ближайшем строймаге, сколько стоит лист фанеры-двадцатки). Во-вторых, с увеличением числа граней башни и/или уменьшением ее размеров резко растет трудоемкость работы вместе с требованиями к точности разметки и распиловки деталей, а последняя имеет предел, равный толщине пилки или пильного диска.

Можно собрать все строение комбинированным способом (см. рис.), но это тоже работа не из простых, и ее сложность также растет с увеличением числа граней. Между тем многогранные вплоть до почти круглых избу и башню граненой декоративной ветряной мельницы вполне возможно сделать зеленому новичку в столярке буквально из обрезков. Дело в том, что тангенсы углов 30 и 60 градусов с достаточной для работ по дереву точностью равны 0,58 и 1,73.

Как подрезается брус 40х40 для сборки частей строения 12-ти и 6-ти гранной декоративной ветряной мельницы, показано на рис.:

Самая сборка – на клею без металлического крепежа и столярных соединений. Чтобы изделие было прочнее, используется прием, аналогичный перевязке кладочных швов в строительстве: венцы имитации сруба (зрительно весьма убедительной) собираются в зеркальном отражении поочередно. На рис. видно также, что при перпендикулярной подрезке не скошенного торца бруса поперечник венца меняется пропорционально. Это дает возможность собрать башню мельницы в виде усеченной пирамиды, а если она 12-гранная, то и ошкурить ее до круглой.

А если посовременнее?

Находятся, хотя и немногие, любители украшать участок моделями тихоходных ветросиловых установок (ВСУ; попросту – ветряков) уже из индустриальной эпохи, см. рис. справа. Что ж, промышленным сооружениям присуща своя эстетика, порой довольно тонкая и многозначная. Но в таком, довольно-таки трудоемком, случае не мешало бы сделать настоящий ветросиловой агрегат: декоративный эффект он даст не меньший, и к тому же выполнит некоторую полезную работу – подкачает воды из колодца в напорный бак, подзарядит аккумулятор дежурного освещения и т.п.

Пробуем сделать водяную мельницу

Условия для установки декоративной водяной мельницы на своем участке складываются реже и создаются гораздо труднее, чем для ветряной, так что и строят их не так уж часто. Однако водяная мини-мельница в зоне отдыха может быть даже зрелищнее ветряной, см. видео:

Видео: водяная мельница для сада своими руками

Определяющим для эстетики водяной мельницы является такой чисто технический фактор, как бой ее рабочего колеса. Наиболее зрелищны (и лучше освежают воздух) мельницы верхнего боя (слева на рис.), но и сделать такую сложнее всего.

Мельничное колесо нижнего боя с заплеском (в центре на рис.) по декоративности уступает верхнему, но конструктивно и технологически много проще. Простое колесо нижнего боя (подливное), справа на рис., смотрится вообще-то неважно. Колеса полунижнего и среднего боя (см. ниже) требуют особых природных условий для их установки, а по эстетике сами по себе ничуть не лучше нижнего и поэтому для декоративных целей мало пригодны.

Типы рабочих колес

Простое подливное рабочее колесо (см. рис. ниже) использует только кинетическую энергию набегающей воды. Наименее эффективно, но проще всего конструктивно. Устанавливается просто в поток достаточной мощности; декоративное – практически в любой ручей естественный или искусственный. Эстетический эффект обусловлен фактически только вращением колеса. Воздух почти не освежает, но и расход воды на испарение минимален.

Колеса производственных мельниц полунижнего и среднего боя ставят в местах с большим перепадом воды: на перекате, за водопадом. Для колеса среднего боя нужно доработать естественную преграду (или соорудить погруженную запруду) и поставить над ней загородку-шандору, частично перекрывающую поток воды сверху. В колесах полунижнего и среднего боя частично используется и потенциальная энергия поднятой воды, поэтому они эффективнее простого подливного, но их лопасти должны быть профилированы.

Наиболее эффективное колесо верхнего боя работает большей частью от потенциальной энергии воды, которая должна быть поднята достаточно высоко: высокой запрудой или, для декоративного колеса, перекачкой. Профилировка лопастей простая или они вовсе прямые наклонные. Эстетический эффект великолепен – вращение колеса дополняют каскады воды – но ее расход на испарение в жаркую погоду может достигать десятков литров в сутки.

Примечание: вертикальные (мутовчатое и прямолопастное) рабочие водяные колеса (см. рис. справа) – прообразы соотв. реактивной и активной водяных турбин. Брызгаются очень красиво, но напор и расход воды для них нужны вряд ли возможные в личном хозяйстве.

Как сделать колесо…

Изготовители декоративных водяных колес на заказ проектируют из чаще всего по образцам старых производственных. Скорее всего, по желанию заказчиков: кто способен оплатить такое изделие, наверняка захочет, чтобы оно было «как настоящее». Однако эффекта «взаправдашней старины» можно добиться гораздо проще, наложив на фанерную основу планки из драни или шпона на жидких гвоздях и дополнительно закрепив их бронзовыми т. наз. финишными гвоздями (их широко применяют, напр., столяры-дверники для крепления наличников).

Но делать основу колеса так, как показано на поз. А рис. , не надо:

Во-первых, снова слишком сложно. А главное – в барабан колеса непременно проникнет вода, застоится там и колесо загниет. По способу, показанному на поз. Б, сделать колесо для декоративной водяной мельницы можно из отходов и обрезков, причем профиль лопастей сразу получится ломаным, что хорошо, см. ниже.

…и как пустить в него воду

Запитка рабочего колеса декоративной водяной мельницы задача куда посложнее его сооружения. Не говоря уже о соотв. гидротехнических сооружениях, насос для фонтана дорог, а его производительность и напор в данном случае явно излишни. Для мельницы с колесом диаметром до 1 м лучше подойдет аквариумная помпа; штатный фильтр снимать не надо, он все равно нужен.

Насосы в аквариумных помпах высокопроизводительные безнапорные – они качают из воды в воду. Но какой-то остаточный напор есть у любого безнапорного насоса. У мини-помп для маленьких аквариумов он не превышает 10-20 см, у помп для аквариумов от 100 до 200 л составляет ок. 60 см, а у помп для больших аквариумов может доходить до 80-100 см. При напоре в половину остаточного производительность насоса падает втрое-вчетверо, но для декоративного водяного колеса этого оказывается достаточно.

Проще всего запитать декоративную водяную мельницу нижнего боя, слева на рис. Колесо нижнего боя можно делать без внутренней обечайки но, как сказано выше, его зрелищность минимальна. Не намного выше она у колеса полунижнего и среднего боя (в центре), да еще им нужны профилированные лопасти, внутренняя обечайка и гидросооружения, возни с которыми будет предостаточно. Единственное упрощение сравнительно с производственным колесом – не нужна шандора, т.к. отбора мощности с колеса нет и кинетическая энергия бьющей в колесо струи воды не имеет значения.

Наиболее зрелищное (и хорошо освежающее воздух) колесо верхнего боя (справа на рис.) также должно быть с внутренней обечайкой, но профиль его лопастей технологически проще – ломаный, или лопасти прямые скошенные. Последнее в общем нежелательно, т.к. сильно увеличивается расход воды на испарение: для колеса диаметром 1 м с 16-ю лопастями при наружной температуре +30 до прим. 2 куб. м в месяц против 0,3-0,5 куб. м, если лопасти ломаные. В последнем случае вместо водяных каскадов с колеса падает частая капель, которая смотрится не хуже.

Однако для запитки колеса верхнего боя понадобятся две помпы разной производительности. Ту, что послабее, ставят в верхний бак, который с избытком подпитывается мощной нижней помпой. Дело в том, что, если аквариумная помпа оказывается на осушке, ее мотор сгорает, поэтому верхний бак должен быть постоянно заполнен водой. Передвигая в нем помпу вверх-вниз, регулируют скорость вращения колеса и его декоративный эффект.

Примечание: колесо, питаемое аквариумными помпами, раскручивается медленно, пока не нальются 3-4 лотка в лопастях. Но потом крутится хорошо, т.к. приток воды расходуется только на компенсацию трения в узле(ах) вращения колеса.

Будьте осторожны!

Нет, речь пойдет не о травмоопасности декоративных мельниц и не об их вреде для здоровья – таковых не имеется. Но, если вы живете не в РФ, то, прежде чем строить декоративную ветряную мельницу, или водяную на естественном потоке, проконсультируйтесь с юристом. В ряде стан, в т.ч. бывшего СССР, использование возобновляемых природных энергоресурсов облагается налогом, а самовольное сооружение и/или установка соотв. устройств карается большим штрафом. Подпадает ли под этот закон декоративная мельница – решают местные компетентные органы, наделенные на то всеми необходимыми полномочиями. А если дух закона не в согласовании интересов, а в запрете всего, неугодного надуманным и вредным самим же себе «ценностям», то простому человеку, желающему просто украсить свой участок и приятно отдохнуть на нем, ничего хорошего для себя ожидать не приходится.

Самые древние приспособления для перемалывания зерна в муку и обдирания его в крупу сохранялись как семейные мельницы до начала ХХ в. и представляли собой ручные жернова из двух круглых в сечении камней из твердого кварцевого песчаника диаметром 40—60 см. Древнейшим типом мельниц считаются сооружения, где жернова вращались с помощью домашних животных. Последняя мельница такого типа прекратила свое существование в России в середине ХIХ в.

Энергию падающей на колесо с лопастями воды россияне научились использовать в начале второго тысячелетия. Водяные мельницы всегда были окружены ореолом таинственности, овеяны поэтическими легендами, сказаниями и суевериями. Мельницы-колесухи с омутом и водоворотом сами по себе небезопасные конструкции, что отражено в русской пословице: «Со всякой новой мельницы водяной подать возьмет».

Письменные и графические источники свидетельствуют о широком распространении в средней полосе и на Севере ветряных мельниц. Нередко крупные села были окружены кольцом в 20—30 мельниц, стоявших на высоких, открытых ветрам местах. Ветряные мельницы за сутки размалывали на жерновах от 100 до 400 пудов зерна. В них имелись также ступы (крупорушки) для получения крупы. Для того чтобы мельницы работали, их крылья надо было поворачивать под менявший направление ветер — это обусловило сочетание в каждой мельнице неподвижной и подвижной частей.

Русскими плотниками создано много разнообразных и остроумных вариантов мельниц. Уже в наше время зафиксировано более двадцати разновидностей их конструктивных решений. Из них можно выделить два принципиальных типа мельниц: «столбовки»

Мельницы столбовки:
а - на столбах; б - на клети; в - на раме.

И «шатровки ». Первые были распространены на Севере, вторые — в средней полосе и Поволжье. Оба названия отражают также принцип их устройства.
В первом типе мельничный амбар вращался на врытом в землю столбе. Опорой служили либо дополнительные столбы, либо пирамидальная бревенчатая клеть, рубленная «в реж», либо рама.
Принцип мельниц-шатровок был иной

Мельницы шатровки:
а - на усечённом восьмирике; б - на прямом восьмерике; в - восьмерик на амбаре.

— нижняя их часть в виде усеченного восьмигранного сруба была неподвижной, а меньшая по размеру верхняя часть вращалась под ветер. И этот тип в разных районах имел немало вариантов, в том числе мельницы-башни - четвериковые, шестериковые и восьмериковые.

Все типы и варианты мельниц поражают точным конструктивным расчетом и логикой врубок, выдерживавших ветры большой силы. Народные зодчие уделяли также внимание внешнему облику этих единственных вертикальных хозяйственных сооружений, силуэт которых играл немалую роль в ансамбле селений. Это выражалось и в совершенстве пропорций, и в изяществе плотницких работ, и в резьбе на столбах и балконах.

Водяные мельницы

Схема ветряной мельницы

Мельница на ослиной тяге

Мельничный постав

Самая существенная часть мукомольной мельницы —мельничный постав или снасть - состоит из двух жерновов: верхнего, или бегуна, А и - нижнего, или нижняка, В . Жернова представляют каменные круги значительной толщины, имеющие в средине сквозное отверстие, называемое очком, а на мелющей поверхности т. н. насечку (см. ниже). Нижний жернов лежит неподвижно; его очко плотно закрыто деревянною втулкою, кружловиною g , сквозь отверстие в центре которой проходитъ веретено С ; на вершине последнего насажен бегун посредством железного стержня CC , укрепленного концами в горизонтальном положении в очке бегуна и называемаго параплицею, или порхлицею. В средине параплицы (и, следовательно, в центре жернова) с нижней ее стороны проделано пирамидальное или коническое углубление, в которое и входитъ соответственно заостренный верхний конец веретена С . При таком соединении бегуна с веретеном, первый вращается при вращении последнего и, в случае надобности, легко снимается с веретена. Нижний конец веретена вставлен шипом в подшипник, укрепленный на балке D . Последнюю можно поднимать и опускать и таким образом увеличивать и уменьшать раcстояние между жерновами. Веретено С вращается помощью т. н. цевочной шестерни Е ; это - два диска, надетые на веретено в небольшом расстоянии друг от друга и скрепленные между собою, по окружности, вертикальными палочками. Цевочная шестерня вращается помощью лобового колеса F , имеющего на правой стороне своего обода зубья, захватывающие за палочки цевочной шестерни и таким образом вращающие ее вместе с веретеном. На ось Z надето крыло, которое и приводится в движение ветром; или, в водяной мельнице, - водяное колесо, приводимое в движение водою. Зерно вводится через ковш а и очко бегуна в промежуток между жерновами. Ковш состоит из воронки а и корытца b , подвешенного под очком бегуна. Размол зерна происходит в промежутке между верхнею поверхностью нижняка и нижнею бегуна. Оба жернова одеты кожухомъ N , который препятствует разбрасыванию зерен. По мере размола, зерна подвигаются действием центробежной силы и напором вновь прибывающихъ зерен) от центра нижняка к окружности, падают с нижняка и идут, по наклонному желобу, в пеклевальныйрукав R —для просеивания. Рукав Е сделан из шерстяной или шелковой ситяной ткани и помещен в закрытом ящике Q , из которого выставляется его нижележащий конец. Сначала просеивается тонкая мука и падает в задней части ящика; более грубая высевается в конце рукава; отруби задерживаются на ситке S , а самая грубая мука собирается в ящик T .

Жернова

Поверхность жёрнова разделена глубокими желобами, называемыми бороздами , на отдельные плоские участки, называемые мелющими поверхностями . От борозд, расширяясь, отходят более мелкие желобки, называемые оперением . Борозды и плоские поверхности распределяются в виде повторяющегося рисунка, называемого гармошкой . У типичного мукомольного жёрнова имеется шесть, восемь или десять таких гармошек. Система желобов и желобков, во-первых, образует режущую кромку, а во-вторых, обеспечивает постепенное ссыпание готовой муки из-под жерновов. При постоянном использовании жернова́ требуют своевременного подтачивания , то есть подравнивание краев всех желобов для поддерживания остроты режущей кромки.

Жернова используются парно. Нижний жёрнов устанавливается стационарно. Верхний жёрнов, он же бегун, — подвижный, и именно он производит непосредственное перемалывание. Подвижный жернов приводится в движение крестообразным металлическим «штифтом», установленным на головке главного стержня или ведущего вала, вращающегося под действием основного механизма мельницы (использующего энергию ветра или воды). Рельефный рисунок повторяется на каждом из двух жерновов, таким образом обеспечивая эффект «ножниц» при размалывании зерен.

Жернова должны быть одинаково сбалансированными. Правильное взаимное расположение камней критически важно для обеспечения помола муки высокого качества.

Лучшим материалом для жерновов служит особенная каменная порода - вязкий, твердый и неспособный полироваться песчаник, называемый жерновым камнем. Так как каменные породы, в которых все эти свойства развиты достаточно и при том равномерно, встречаются редко, то хорошие жернова весьма дороги.

На трущихся поверхностяхъ жернов делают насечку, т. е. пробивают ряд углубленных бороздок, и промежутки между этими бороздками приводят в грубо-шероховатое состояние. Зерно попадает во время размола между бороздками верхнего и нижнего жернов и разрывается и разрезывается острыми режущими краями бороздок насечки на более или менее крупные частицы, которые размалываются окончательно по выходе из бороздок.

Бороздки насечки служат также какъ бы путями, по которым размалываемое зерно подвигается от очка к окружности и сходить с жернова. Так как жернова, даже из лучшего материала, стираются, то насечка должна быть возобновляема время от времени.

Описание конструкций и принципа действия мельниц

Столбовками мельницы названы за то, что их амбар покоится на столбе, вкопанном в землю и обложенном снаружи срубом-ряжем. В нем заделаны балки, удерживающие столб от смещения по вертикали. Конечно, амбар покоится не только на столбе, но на срубе-ряже (от слова режь, бревна, врубленные не плотно, а с прозорами). Поверх такого ряжа делается ровное круглое кольцо из пластин или досок. На него и опирается нижняя рама собственно мельницы.

Ряжи у столбовок могут быть разной формы и высоты, но не выше 4 метров. Они с земли могут подниматься сразу в виде четырехгранной пирамиды или сначала вертикально, а с какой-то высоты переходить в усеченную пирамиду. Встречались, правда очень редко, мельницы на невысокой раме.

Основание шатровок тоже может быть по форме и конструкциям различным. Например, пирамида может начаться с уровня земли, а конструкция быть не срубной, а каркасной. Пирамида может опираться на срубный четверик, а к нему могут быть пристроены подсобные помещения, тамбур, помещение для мельника и т.д.

Главное в мельницах их механизмы. В шатровках внутреннее пространство разделено перекрытиями на несколько ярусов. Сообщение с ними идет по крутым лестницам чердачного типа через люки, оставленные в перекрытиях. Части механизма могут располагаться на всех ярусах. А их может быть от четырех до пяти. Стержнем шатровки служит могучий вертикальный вал, пронизывающий мельницу насквозь до "шапки". Он опирается через металлический подпятник, закрепленный в балке, которая лежит на брусчатой раме. Балка с помощью клиньев может перемещаться в разные стороны. Это позволяет придать валу строго вертикальное положение. Тоже самое можно проделать и при помощи верхнего бруса, где штырь вала заделан в металлическую петлю.

В нижнем ярусе на вал надета большая шестерня с кулачками-зубьями, закрепленными по наружному контуру круглой основы шестерни. При работе движение большой шестерни, умноженное в несколько раз, передается на малую шестерню или цевку другого вертикального, уже металлического обычно вала. Этот вал прошивает неподвижный нижний жернов и упирается в металлическую планку, на которой через вал подвешен верхний подвижный (вращающийся) жернов. Оба жернова одеты деревянным кожухом с боков и сверху. Жернова устанавливаются на втором ярусе мельницы. Балка в первом ярусе, на которую опирается малый вертикальный вал с малой шестерней, подвешена на металлическом нарезном штыре и с помощью нарезной же шайбы с рукоятками может быть слегка поднята или опущена. С нею поднимается или опускается верхний жернов. Так регулируется тонкость помола зерна.

От кожуха жерновов вниз наклонно пропущен глухой дощатый желоб с доской задвижкой на конце и двумя металлическими крючками, на которые подвешивается мешок, наполняемый мукой.

Рядом с блоком жерновов устанавливается кран-укосина с металлическими дугами-захватами. С его помощью жернова могут сниматься со своих мест для отковки.

Над кожухом жерновов с третьего яруса спускается жестко закрепленный к перекрытию подающий зерно бункер. Он имеет задвижку, с помощью которой можно перекрыть подачу зерна. Он имеет форму опрокинутой усеченной пирамиды. Снизу к нему подвешен качающийся лоток. Он для пружинистости имеет можжевеловую планку и штырь, опущенный в отверстие верхнего жернова. В отверстии эксцентрично устанавливается металлическое кольцо. Кольцо может быть и с двумя-тремя косыми перьями. Тогда устанавливается симметрично. Штырь с кольцом называются обечайкой. Пробегая по внутренней поверхности кольца, штырь все время меняет положение и раскачивает косо подвешенный лоток. Это движение ссыпает зерно в зевло жернова. Оттуда оно попадает в зазор между камнями, размалывается в муку, та поступает в кожух, из него в закрытый лоток и мешок.

Зерно засыпается в бункер, врезанный в пол третьего яруса. Мешки с зерном подаются сюда с помощью во"рота и веревки с крюком. Ворот может подключаться и отключаться от шкива, насаженного на вертикальный вал. Делается это снизу с помощью веревки и рычага. В досках перекрытия прорезан люк, перекрытый наклонно поставленными двухпольными створками. Мешки, проходя через люк, открывают створки, которые потом произвольно захлопываются. Мельник отключает ворот, и мешок оказывается на крышках люка. Операция повторяется.

В последнем ярусе, находящемся в "шапке", на вертикальном валу установлена и закреплена другая, малая шестерня со скошенными кулачками-зубьями. Она заставляет вращаться вертикальный вал и запускает весь механизм. Но ее заставляет работать большая шестерня на "горизонтальном" валу. Слово в кавычки заключено потому, что фактически вал лежит с некоторым уклоном внутреннего конца вниз. Штырем этого конца он заключен в металлическом башмаке деревянной рамы, основы шапки. Приподнятый конец вала, выходящий наружу, спокойно лежит на камне-"подшипнике", слегка скругленном сверху. На валу в этом месте врезаны металлические пластины, предохраняющие вал от быстрого стирания.

В наружную головку вала врезаются два взаимно перпендикулярных бруса-кронштейна, к которым крепятся хомутами и болтами другие балки - основа решетчатых крыльев. Крылья могут принимать ветер и вращать вал лишь тогда, когда на них будет расправлена парусина, обычно свернутая в жгуты в покойное, не рабочее время. Поверхность крыльев будет зависеть от силы и скорости ветра.

Шестерня "горизонтального" вала снабжена зубьями, врезанными в боковую сторону круга. Сверху ее обнимает тормозная деревянная колодка, которая с помощью рычага может быть освобождена или сильно затянута. Резкое торможение при сильном и порывистом ветре вызовет высокую температуру при трении дерева о дерево, и даже тление. Этого лучше избегать.

До работы крылья мельницы следует повернуть навстречу ветру. Для этого имеется рычаг с подкосами - "водило".

Вокруг мельницы вкапывали небольшие столбики количеством не менее 8 штук. К ним "водило" и крепилось цепью или толстой веревкой. Силою 4-5 человек, даже если верхнее кольцо шатра и части рамы хорошо смазаны солидолом или чем-то подобным (ранее смазывали свиным салом), провернуть "шапку" мельницы очень трудно, почти невозможно. "Лошадиная сила" тут тоже не годится. Поэтому пользовались небольшим переносным воротом, который попеременно одевали на столбики его трапециевидной рамой, служившей основанием всей конструкции.

Блок жерновов с кожухом со всеми частями и деталями, расположенными выше и ниже его, назывался одним словом - постав. Обычно небольшой и средней величины ветряки делались "об одном поставе". Большие ветряки могли строиться с двумя поставами. Были ветряные мельницы и с "толчеями", на которых отжималось льняное или конопляное семя для получения соответственного масла. Отходы - жмых, - тоже использовали в домашнем хозяйстве. "Пильные" ветряки как будто не встречались.